碳元素廣泛存在于自然界，其獨特的物性和多樣的形態(tài)隨著(zhù)人類(lèi)文明的進(jìn)步而逐漸被發(fā)現。石墨烯（Graphene）作為一種碳系新材料，發(fā)掘和應用其潛在、出色的各項特殊性能，成為多年來(lái)人們研究的熱點(diǎn)。現在，我們不妨概略認識一下“石墨烯”。
現實(shí)生活中，大家對于“石墨”并不陌生，眾所周知的鉛筆和自動(dòng)鉛筆芯即由石墨粉末混合粘土的材料組成。用鉛筆在紙上寫(xiě)字，其實(shí)就是不停制造薄薄的石墨，其間即包含了所謂“石墨烯”。石墨就是由一層層有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是“石墨烯”；1毫米厚度石墨相當于由300萬(wàn)層石墨烯膜重疊起來(lái)。
研究結果表明，“石墨烯”是由碳六元環(huán)組成的二維（2D）周期蜂窩狀點(diǎn)陣結構（如上圖所示），不僅是構成其他石墨材料的基本單元，也是形成所有sp2雜化碳質(zhì)材料的基本組成單元。“石墨烯”可以翹曲成零維（0D）的富勒烯（fullerene），卷成一維（1D）的碳納米管（CNT），或者堆垛成三維（3D）的石墨（graphite）。
自1985年富勒烯和1991年碳納米管被科學(xué)家發(fā)現以后，三維的金剛石、一維的碳納米管、零維的富勒球組成了碳系家族。碳的零維、一維、三維結構材料已經(jīng)被實(shí)驗證實(shí)可以穩定存在，唯有二維的理想石墨烯片層則一直被認為是假設性的結構，無(wú)法單獨穩定存在，直至2004年，英國大學(xué)物理學(xué)教授安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在實(shí)驗中用一種極為簡(jiǎn)單的方法，成功剝離并觀(guān)測到了自由且異乎尋常地穩定存在的單層“石墨烯”，從而證實(shí)它也可以單獨存在。這一發(fā)現立刻震撼了科學(xué)界，隨即掀起了一場(chǎng)關(guān)于石墨烯理論與實(shí)驗研究的新熱潮。6年后，兩人也因此卓越貢獻共同獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎。
這種碳原子呈六角形網(wǎng)狀鍵合的“石墨烯”，是迄今最理想的二維納米材料。它具有諸多超乎人類(lèi)想象的優(yōu)越的電特性、熱特性以及機械特性，不僅普遍應用于一般工業(yè)和消費領(lǐng)域，還廣泛應用于特殊工業(yè)領(lǐng)域。
單層石墨烯的厚度僅為0.335納米，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬(wàn)分之一。理想的石墨烯結構呈平面六邊形點(diǎn)陣，是一層被剝離的石墨分子，每個(gè)均為sp2雜化，并貢獻剩余一個(gè)p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，從而成就了石墨烯優(yōu)越的導電性。它的電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為世上已知電阻率最小的材料。電子在其中的運動(dòng)速度達到了光速的 1/300，遠遠超過(guò)了電子在一般導體中的運動(dòng)速度，具有在室溫下也高達20萬(wàn)cm2/Vs以上的載流子遷移率，以及遠遠超過(guò)銅的對大電流密度的耐性。石墨烯將有可能成為硅的替代品，制造超微型、高速晶體管，用來(lái)生產(chǎn)未來(lái)的超級計算機，以及觸摸面板、超高效太陽(yáng)能電池用透明導電膜，以及成本低于銅但與銅相比可通過(guò)大電流的電線(xiàn)等。
石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，比最好的鋼鐵還要高上百倍，竟然比金剛石還堅硬，其每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9微牛。由此測算，如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋的約100 納米厚的薄膜，那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力而不至于斷裂。打個(gè)比喻，單層石墨烯的強度，就像把大象的重量加到一支鉛筆上，才能夠用這支鉛筆刺穿僅像保鮮膜一樣厚度的單層石墨烯。石墨烯的結構非常穩定，碳碳鍵僅為0.142納米。碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時(shí)，碳原子面會(huì )彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來(lái)適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優(yōu)秀的導熱性。在目前可制作片狀材料中，石墨烯厚度最薄、比表面積較大，還具有超過(guò)金剛石的強度、彈性模數和導熱率。即便是單層石墨烯，也不會(huì )通過(guò)大于氦（He）原子的物質(zhì)。這些性質(zhì)可以使石墨烯作為超級電容器、鋰離子電池的電極材料助劑、散熱膜、MEMS傳感器，或是理想的阻擋膜。
與其他材料相比，石墨烯還擁有許多極為特殊的性質(zhì)。例如，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，在室溫下也可呈現量子霍爾效應，可實(shí)現透射率為100%的通道效應；電阻值為固定值而與距離無(wú)關(guān)的“彈道輸運”的有效距離較長(cháng)；按照由石墨烯上的自由電子來(lái)描述中微子的韋爾方程式，石墨烯可以像質(zhì)量為零的粒子一樣的運動(dòng)；而且，石墨烯具有被稱(chēng)為“贗自旋”和“贗磁場(chǎng)”的、宛如存在電子自旋和磁場(chǎng)的特性；石墨烯還擁有負折射率，等等。這些特性可以使石墨烯用于制造透明觸控屏幕、光板、超高精度的氣體傳感器和應變傳感器等，是未來(lái)納米電子器件的極有前景的材料。此外，石墨烯還可被廣泛應用于各領(lǐng)域，比如超輕防彈衣、用于航空航天領(lǐng)域的儲氫材料、超薄超輕型飛機材料等，并在各領(lǐng)域減少和控制噪音的方法上具有革命性的跨越。
目前，制備石墨烯的生產(chǎn)方法較多，有微機械分離、取向附生法、化學(xué)氣相沉積法、氧化-還原法、溶劑剝離法、溶劑熱法、高溫還原、光照還原、外延晶體生長(cháng)法、微波法、電弧法、電化學(xué)法等。如何綜合運用各種石墨烯制備方法的優(yōu)勢，取長(cháng)補短，解決石墨烯的難溶解性和不穩定性的問(wèn)題、完善結構和電性能、降低成本等是今后研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也為今后石墨烯的制備與合成開(kāi)辟新的道路。
我國石墨礦儲量占世界總儲量的75%，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的72%。同時(shí)，我國是制造業(yè)大國，在動(dòng)力電池、LED散熱等方面，石墨烯都大有用武之地。因此，我國對石墨烯的需求也比較強烈。至2015年底，國內已誕生石墨烯十大生產(chǎn)廠(chǎng)家（科技有限公司）：寧波墨西、重慶墨希、鴻納(東莞)新材料、常州第六元素材料、濟南墨希新材料、蘇州格瑞豐納米、合肥微晶材料、常州二維碳素、無(wú)錫格菲電子薄膜、南京吉倉納米和南京先豐納米材料，其中年產(chǎn)300噸石墨烯的“寧波墨西科技有限公司”是全球最大的石墨烯生產(chǎn)企業(yè)，已將每克制造成本從5000元降至3元以下。此外，各地的石墨烯產(chǎn)業(yè)園區、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟及創(chuàng )新基地也紛紛成立，石墨烯的應用越來(lái)越廣泛。業(yè)內人士預計，國內石墨烯未來(lái)的市場(chǎng)規模或可達到萬(wàn)億元以上。不過(guò)，雖然我國在石墨烯制備方面取得了突破，但石墨烯的應用仍然處于由研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)的階段，萬(wàn)億元的市場(chǎng)前景的確美好，但實(shí)現仍需要一個(gè)過(guò)程。2016年7月，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新聯(lián)盟在上海首發(fā)了2016全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告。報告稱(chēng)，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前還處于初級階段，預計到2020年，全球石墨烯才形成完整產(chǎn)業(yè)鏈，且市場(chǎng)規模將達1000億元，其中中國占比達50%至80%，中國將在全球石墨烯行業(yè)中起到主導和核心作用。在知識產(chǎn)權方面，2015年全球石墨烯專(zhuān)利數據顯示，排名首位的是中國，之后是美國、韓國、日本。作為21世紀最具應用前景的新材料之一，石墨烯的每項技術(shù)發(fā)明都給該題材注入了新的生命力。
